La Dirección Futura de las Baterías de Iones de Litio
El desarrollo de la primera batería de iones de litio (LIBs) en la década de 1970 y la comercialización de las baterías de iones de litio en 1991 marcaron un cambio profundo en el mercado de la electrónica.
El momento crucial en la variación de la densidad de energía de estas baterías anticipó la llegada de una nueva era para los teléfonos inteligentes y los ordenadores portátiles de moda. En 2007, Apple presentó el primer iPhone alimentado por baterías de iones de litio.
Uno de los mayores logros en la tecnología de baterías es quizás la aplicación de la tecnología de iones de litio en vehículos híbridos y vehículos eléctricos puros (BEV). Actualmente, la mayoría de los vehículos de energía nueva utilizan baterías de iones de litio, lo cual es crucial para el futuro del ecosistema global.
Desde alimentar nuestros teléfonos móviles y portátiles a través de almacenamiento de baterías estacionarias a gran escala, hasta la llegada de la próxima generación de vehículos eléctricos, las baterías de iones de litio(https://bateria18650.com/bateria-21700/) han encontrado aplicaciones extensas en diversas industrias.
Además, con la creciente demanda de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en la generación de energía y minimizar el impacto del cambio climático, la importancia de la investigación en este campo es evidente.
La duración de la batería, la seguridad operativa, la densidad de energía y potencia, y la velocidad de carga son características de rendimiento críticas para la adopción generalizada y el éxito comercial de las baterías.
Además, el suministro de materias primas y la eficiencia de producción son factores clave en la toma de decisiones para elegir productos específicos de baterías electroquímicas. El enfoque de la investigación en LIB se ha desplazado para satisfacer las demandas de los consumidores, abarcando no solo los aspectos mencionados, sino también considerando materiales sostenibles y mejorando las condiciones de trabajo y medio ambiente en los países de extracción de materias primas.
Para lograr estos objetivos y desarrollar la próxima generación de tecnologías capaces de superar las limitaciones energéticas actuales de las baterías de iones de litio, es esencial obtener un conocimiento más profundo sobre el potencial rendimiento electroquímico de los materiales.
La Resonancia Magnética Nuclear (NMR) es una tecnología ampliamente establecida con una larga historia en los campos de la medicina, la investigación clínica y la ciencia de materiales.
Actualmente, el análisis por NMR se utiliza en investigaciones fundamentales innovadoras y en la creación de productos, con el fin de desarrollar y diseñar nuevos dispositivos para la producción, almacenamiento y conversión de energía.
01 ¿Cómo funcionan las Baterías Recargables de Litio?
En términos simples, las baterías recargables se basan en reacciones electroquímicas, donde el movimiento de iones y electrones en el electrolito entre dos electrodos convierte la energía química en energía eléctrica y viceversa. En las baterías recargables, estas reacciones electroquímicas son reversibles.
-Durante la descarga, los iones de litio son transportados desde el ánodo hacia el cátodo a través del electrolito y el separador, llevando la corriente interna dentro de la batería.
-Durante la carga, una fuente de energía externa aplica un voltaje más alto que el generado por la batería, lo que obliga a la corriente de carga a moverse del cátodo hacia el ánodo. Los iones de litio se incrustan en los materiales porosos del ánodo, donde almacenan carga para su liberación futura.
02 Técnicas de Análisis Tradicionales
Técnicas como los microscopios electrónicos y ópticos proporcionan imágenes de alta resolución de los materiales, pero a menudo se limitan a la superficie, lo que dificulta las explicaciones cuantitativas.
La resonancia magnética nuclear (RMN) y la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) son métodos de análisis no invasivos con capacidades de caracterización cuantitativa y estructural, y la investigación en curso continúa mejorando su sensibilidad y resolución.
Los métodos de RMN se han utilizado en la investigación y el desarrollo para monitorear los cambios estructurales que ocurren durante el funcionamiento de las baterías, estudiando los efectos de la carga rápida y el ciclo en las baterías.
Un artículo reciente examinó cómo las reacciones químicas y electroquímicas en la interfaz cátodo-electrolito de las baterías de iones de litio afectan a la vida útil y la seguridad de la batería. El análisis del electrolito mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear en solución puede identificar cualquier producto de degradación soluble que se haya formado.
03 Una Mayor Movilidad Iónica Puede Mejorar el Rendimiento de las Baterías
La espectroscopia de resonancia magnética nuclear se puede utilizar para revelar detalles estructurales, como la estructura electrónica. La investigación sobre la dinámica de los materiales de las baterías, incluyendo posibles materiales de electrodos alternativos y componentes del electrolito como sales de litio, solventes y aditivos, así como otras formas sólidas. Mejorar la movilidad de los iones objetivo puede reducir la resistencia interna de las LIB y mejorar su rendimiento.
La Resonancia Magnética Nuclear de Eco de Espín con Gradiente Pulsado (PGSE) puede estudiar la movilidad de los iones mediante la medición por separado, de forma independiente y in situ de las tasas de difusión de diferentes iones, así como las tasas de difusión de diferentes núcleos atómicos (incluyendo 1H, 19F y 7Li) en un amplio rango de temperaturas.
04 Prolongar la Vida Útil de la Batería
El análisis de resonancia magnética nuclear ha profundizado en nuestra comprensión de la formación de la Interfaz Electrolítica Sólida (SEI) y los procesos de formación de dendritas que afectan a las baterías de iones de litio durante su carga inicial.
La formación estable de SEI determina muchos parámetros que influyen en el rendimiento y la vida útil de la batería. Durante el proceso de carga, a medida que los iones de litio se mueven hacia el ánodo, pueden someterse a la electrodeposición, lo que lleva a la formación de dendritas, lo que puede provocar cortocircuitos e incendios.
Actualmente, existe una investigación insuficiente en esta área para prevenir la formación de dendritas.
La resonancia magnética nuclear puede separar e identificar cuantitativamente varios aspectos de las capas de la batería. Por ejemplo, la resonancia magnética nuclear de ángulo mágico de giro (MAS) de 7Li y 19F puede identificar y cuantificar el fluoruro de litio (LiF) en el SEI del ánodo y el electrodo.
Los cambios en la intensidad del pico de Li durante el proceso de ciclado pueden correlacionarse con el crecimiento de microestructuras dendríticas y la deposición de metal suave.
Un estudio encontró que la resonancia magnética nuclear in situ puede determinar que hasta el 90% del litio depositado durante la carga lenta de baterías Li/LiCoO2 tiene naturaleza dendrítica. Esta tecnología también se puede utilizar para probar métodos de prevención de la formación de dendritas, que incluyen aditivos de electrolitos, separadores avanzados, presión de batería, temperatura y condiciones de ciclado electroquímico.
Las ventajas de la resonancia magnética nuclear en la investigación de nuevos materiales y rendimiento de baterías son cada vez más reconocidas.
Las futuras aplicaciones también incluyen el estudio de la disminución de la capacidad de las LIB, la inspección de baterías después de numerosos ciclos de uso y pruebas de envejecimiento de alta tensión y acelerado.
05 Avanzando hacia el Futuro de las Baterías
La tecnología de baterías de estado sólido está destinada a redefinir la industria. Las baterías de estado sólido son un nuevo tipo de tecnología de baterías que reemplaza los electrolitos líquidos por compuestos de electrolitos sólidos, permitiendo aún así el movimiento de iones de litio. Aunque no es un concepto nuevo, los nuevos electrolitos sólidos tienen una alta conductividad iónica, similar a los electrolitos líquidos.
Debido a su menor inflamabilidad cuando se calientan, los diseños de estado sólido mejoran significativamente la seguridad y permiten el uso de materiales de alta capacidad y alta tensión, superando los problemas de rendimiento causados por la alta resistencia interna de los iones de litio. Esto mejora significativamente la densidad de energía y el rendimiento de ciclaje de las baterías.
La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) desempeña un papel crucial en la definición de las reacciones electroquímicas de la nueva generación de almacenamiento de energía química.
En 2022, la introducción de vehículos eléctricos puros impulsados por baterías de iones de sodio marcó una redefinición del compromiso entre la disponibilidad de materiales y el rendimiento de las baterías.
Otro ejemplo son los materiales de ánodo de silicio utilizados para ampliar la capacidad de almacenamiento, que pueden reemplazar al grafito, reduciendo la demanda de grafito en el mercado.
La tecnología de RMN ayuda a definir y comprender el futuro de la electroquímica de las baterías. Su integración en la industria de fabricación de baterías contribuye a mejorar la eficiencia de la producción.
Si queremos hacer la transición a una sociedad libre de carbono, superar los límites de rendimiento de las baterías será la base para proporcionar energía portátil sostenible en el futuro.
Los investigadores de todo el mundo continúan buscando formas de hacer que las baterías sean más seguras, más potentes y más duraderas. El uso del análisis de espectroscopía de resonancia magnética nuclear apoyará el desarrollo y la producción de nuevos productos, asegurando que nuestras futuras necesidades de almacenamiento de energía se cumplan.
Acerca de los Autores:
Joerg Koehler, Director de la División Industrial BioSpin en Bruker Corporation.
Alain Belguise, Director Académico de la Unidad de Negocios BioSpin en Bruker Corporation.
Oliver Pecher, CEO de ePROBE GmbH, Blumenstr. 70 Haus 3, 99092 Erfurt, Alemania.
Referencias:
（i）B.M. Meyer, N. Leifer, S. Sakamoto, S.G. Greenbaum and C.P. Grey, “High field multinuclear NMR investigation of the SEI layer in lithium rechargeable batteries”, Electrochem. Solid-State Lett. 8(3), A145–A148 (2005). https://doi.org/10.1149/1.1854117
（ii）R. Bhattacharyya, B. Key, H. Chen, A.S. Best, A.F. Hollenkamp and C.P. Grey, “In situ NMR observation of the formation of metallic lithium microstructures in lithium batteries”, Nat. Methods 9, 504–510 (2010). https://doi.org/10.1038/nmat2764
（iii）O. Pecher, J. Carretero-Gonzáelz, K.J. Griffith and C.P. Grey, “Materials’ methods: NMR in battery research”, Chem. Mater. 29, 213–242 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b03183
